Upload
lenhu
View
215
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Juuso Kattelus
TUULIENERGIAN TALTEENOTTO MEKAANISIN MENETELMIN
TUULIENERGIAN TALTEENOTTO MEKAANISIN MENETELMIN
Juuso Kattelus Opinnäytetyö Kevät 2018 Energiatekniikan koulutusohjelma Oulun ammattikorkeakoulu
3
TIIVISTELMÄ
Oulun ammattikorkeakoulu Koulutusohjelma, Energiatekniikan koulutusohjelma Tekijä: Juuso Kattelus Opinnäytetyön nimi: Tuuli energian talteenotto mekaanisin menetelmin Työn ohjaaja: Timo Kiviahde Työn valmistumislukukausi ja -vuosi: Kevät 2018 Sivumäärä: 39 Työssä tutkittiin tilaajan suunnittelemaa mekaanista tapaa käyttää hyödyksi tuulen liike-energiaa. Ideana on, että tuulesta voimansa ottava vipusysteemi käyttää pumppua, jolla vettä siirretään korkeampaan elevaatioon, josta vesi vapautetaan vesiturbiinille sähkön ollessa kallista. Työn tavoitteena oli tutkia systeemissä syntyviä häviöitä. Tutkimuksen pääpaino oli mekaanisen voimansiirtosysteemin laakeroinnin häviöissä, mutta myös pumppauksen ja vesiturbiinin häviöistä esitetään arvio. Tutkimus aloitettiin selvittämällä, miten tuulesta saatu liike-energia välittyy tuuliturbiinin akselille. Kun saatiin selvitettyä tarvittava teoria, jolla tuulen energia voidaan hyödyntää, jatkettiin edelleen voimansiirron laakerointiin. Kun tarvittavat lähtötiedot ja teoriat saatiin selville, tehtiin tilanteesta Excel-malli, jolla laskettiin tehohäviöiden suuruudet laitoksen kokeellisessa osassa. Laitoksen kokonaishyötysuhteen arvioimiseksi täytyi kuitenkin selvittää karkeasti, mistä laitoksen muut häviöt muodostuvat. Oleellisiksi osiksi määritettiin vesiturbiini ja pumppu. Häviölaskelmien tuloksena saatiin selville suuntaa antava arvio voimansiirron laakeroinnin häviöistä. Laakeroinnin häviöiden arvioitiin olevan muutamien prosenttien luokkaa. Laitoksen muiden osien kokonaishyötysuhteeksi arvioitiin noin 80 %, kun pumpun ja vesiturbiinin oletettiin olevan huippukuntoisia ja optimoituja tilanteeseen. Asiasanat: tuulienergia, laakerit, kitka, hyötysuhde, vesivoima, pumput5
4
ABSTRACT
Oulu University of Applied Sciences Degree programme, Energy Author(s): Juuso Kattelus Title of thesis:Harnessing wind power with mechanical methods Supervisor(s): Timo Kiviahde Term and year when the thesis was submitted: 2018 spring Pages: 39 This thesis was made to find out if the invention involving wind power and hy-dropower would have commercial feasibility. It has been proposed that an alter-native solution for harnessing electricity from the wind using wind turbine. Gen-eral idea is to use mechanical transmission to power a water pump, rather than first converting it to electricity with generator. Pump will be used to pump water to higher elevation, where it will be stored. Water will be then released to water turbine when prices of electricity rise or there is a need for extra power in the network. Objective was to present a feasible assessment of the losses in the bearings of the mechanical power transmission and overall efficiency of the completed plant. Configuration used in the assessment includes wind turbine, the pro-posed mechanical transmission, a water pump and a water turbine. Most of the constant and relevant dimensions were taken from the manuals of bearing manufacturers. Information on the general qualities of pumping system and water turbine were taken from the study material available. It was determined that losses in the relevant bearings amount to around 1-3%. Losses in the pump and the water turbine amount to combined efficiency around 80% assuming that the equipment is up to date and functioning opti-mally. It was concluded that while the idea shows some promise, massive amounts of research is need to determine real feasibility of the plant. More research is needed on the ideal configuration of mechanical transmission and it would be greatly beneficial to build a prototype to get some real measurements. Keywords: Wind power, friction, bearings, efficiency, water power, pumping
5
SISÄLLYS
TIIVISTELMÄ 3
SISÄLLYS 5
1 JOHDANTO 7
2 TUULIVOIMASTA 8
2.1 Tuulivoima Suomessa 8
2.2 Tuulivoiman hyödyntäminen 10
2.3 Enercon E-33/300 13
3 VESITURBIINI 15
3.1 Pudotuskorkeus ja virtaama 15
3.2 Turbiini tyypit 16
3.2.1 Kaplan-turbiinit 16
3.2.2 Francis-turbiinit 17
3.2.3 Pelton-turbiinit 17
4 PUMPUT 18
4.1 Valinta ja mitoitus 18
4.2 Keskipakopumput 19
5 LAAKERIT 21
5.1 Vierintälaakeroinnit 21
5.1.1 Urakuulalaakerit 22
5.1.2 Rullalaakerit 23
5.2 Käsitteitä 23
5.2.1 Säteis-ja aksiaalikuormitus 24
5.2.2 Voitelu 24
5.2.3 Laakerien kestoikä 25
5.2.4 Laakerien kantokyky 26
5.2.5 Pyörimisnopeusrajat 26
6 TUTKITTAVA LAITOS 28
6.1 Laitoksen esittely 28
6.2 Laitoksen sijoittamisesta 30
7 TIEDOT JA LASKELMAT 32
6
8 TULOSTEN TULKINTA 37
8.1 Tuloksien tarkkuudesta 37
8.2 Parannettavaa ja lisätutkimuksen aiheita 38
9 YHTEENVETO 39
LÄHTEET 38
7
1 JOHDANTO
Tässä opinnäytetyössä tutkitaan vaihtoehtoista lähtökohtaa tuulienergian
talteenottoon käyttäen mekaanista välitystä. Tarkoituksena on välittää tuulen
liike-energia vesipumpulle, ilman sähkögeneraattoria. Mekaaninen koneisto
pyörittää pumpun akselia, joka pumppaa vettä korkeampaan elevaatioon.
Korkeammalle sijoitettu säiliö täytetään näin vedellä, ja se varastoi tuulen liike-
energiaa potentiaalienergiana. Systeemin viimeisenä osana toimii vesiturbiini,
jonka lävitse vesi johdetaan sähkön ollessa kallista.
Opinnäytteessä tutkitaan tilaajan suunnitteleman laitteiston häviöitä.
Opinnäytteen tavoitteena on tutkia mekaanisen systeemin laakereissa syntyviä
kitkahäviötä, selvittää mahdollisia ongelmakohtia, sekä pohtia mahdollista
parannuksien ja lisätutkimusten tarvetta. Systeemin kokeellisen luonteen
huomion ottaen voi tuloksia pitää vain alustavana arviona, jota suuntaa
antavana pohjana.
8
2 TUULIVOIMASTA
Tuulivoiman merkitys yhteiskunnassamme kasvaa vuosi vuodelta. Suomi on
sitoutunut lisäämään uusiutuvan energian määrää rajojensa sisällä. Siksi
tuulivoiman tutkimus ja mahdollisuuksien kartoitus onkin lisääntynyt
merkittävästi viime vuosina. Tässä luvussa esitellään joitain yleisiä perusteita
tuulivoimasta sekä mekaaninen systeemi, jonka on tarkoitus korvata perinteinen
sähkögeneraattori tuuliturbiinissa.
2.1 Tuulivoima Suomessa
Suomen tuulivoimalat sijoittuvat pääasiassa rannikolle, merialueille ja lapin
tuntureille, joissa on luontaisesti ideaaliset tuuliolosuhteet voimaloiden
toiminnalle. Joitakin voimaloita on sijoitettu sisämaahan tuulisille paikoille, mutta
verrattain niiden tuottama energia on vähäistä rannikolla tuotettuun. Vanhojen
teknologien kehittyminen ja uusien ideoiden käyttöönotto saattaa lisätä
taloudellisesti kannattavien sijaintien määrää Suomen maa-alueilla. Vaikka
tuulivoiman määrä Suomessa on lisääntynyt, tuulivoimalla tuotetun energia
määrä on verrattain pieni moniin muihin maihin verrattuna. (1; 2.)
Tuulivoiman määrä Suomessa on kehittynyt selvästi vuosina 2014 ja 2015.
Vuonna 2014 Suomessa tuotetun tuulivoiman kapasiteetti oli 631 MW, joka
vastasi tuona vuonna 1,3 % Suomen sähkönkulutuksesta. Tuulivoimalla
tuotetun sähkön määrä nousi jo vuonna 2015 selvästi. Vuoden 2015 loppuun
mennessä tuulivoimalla tuotettiin yhteensä 1005 MW energiaa, joka vastasi 2,8
% Suomen sähkönkulutuksesta. Suomen hallituksen suunnitelmissa on nostaa
tuotetun tuulivoiman summa 6 TWh:iin vuodessa. Tavoite vaikuttaa nykyisten
arvioiden mukaan realistiselta määrältä ottaen huomioon viime vuosien nopean
kehityksen. (3; 4.)
Kuvissa 1 ja 2 on esiteltynä jo käytössä olevat voimalat sekä ne voimalat. joiden
rakentaminen tai suunnitteluprosessi on edennyt jo pitkälle. Voimaloiden määrä
kasvaisi entisestään, jos kuviin asetettaisiin näkyville paikat, joiden potentiaalia
tutkitaan tai lupien hakemista valmistellaan.
9
KUVA 1 Käytössä olevat tuulivoimalat (1)
10
KUVA 2 Tuulivoimalat, joita rakennetaan, valmistellaan rakennettaviksi tai niihin
haetaan lupia (1)
.
2.2 Tuulivoiman hyödyntäminen
Auringon lämmittäessä ilmakehässä syntyy paine-eroja, jotka puolestaan luovat
tuulia. Tuuliturbiinin tavoitteena on valjastaa tuulen liike-energia hyötykäyttöön
joko generaattorin tai tämän opinnäytteen tapauksessa mekaanisen välityksen
kautta pumpun voimaksi.
11
Tässä opinnäytteessä tarkkailtavat tuuliturbiinit ovat perinteisiä vaaka-akselisia,
sillä opinnäytteen tilaajan suunnitelmat perustuvat perinteiseen tuuliturbiiniin.
Tuulesta saatava teho voidaan laskea kaavalla 1(4).
𝑃𝑠𝑎𝑎𝑡𝑎𝑣𝑖𝑙𝑙𝑎 =1
2𝜌𝐴𝑉3 KAAVA 1
jossa
ρ= ilman tiheys [kg/m3]
A= turbiinin lapojen pyyhkäisy pinta-ala [m2]
V= tuulen nopeus [m/s]
Kaavalla 1 lasketaan kuitenkin vain maksimiteho jonka tuulevasta voi saada.
Kaavalla 2 voidaan laskea se tehon osa, jonka turbiini voi hyödyntää 5(4).
𝑃𝑚𝑎𝑥 =1
2𝐶𝑝𝜌𝐴𝑉3 KAAVA 2
jossa
Cp= tehokerroin on yksikötön suure
Tehokerroin on jokaiselle turbiinille ominainen kerroin, jonka avulla voidaan
määritellä, kuinka suuren osa tarjolla olevasta tuulen liike-energiasta ko. turbiini
voi maksimissaan saada hyötykäyttöön. Teoreettinen maksimi tehokertoimelle
on 0,59, mutta mikään turbiini ei todellisuudessa pääse tähän arvoon millään
tuulen nopeudella. Tehokertoimen voi määrittää turbiinille ns. Betzin käyrän
avulla. Tehokertoimen määrittämiseksi täytyy tuntea turbiinin tyyppi sekä laskea
tapauskohtaisesti kärki turbiinin kärkinopeussuhde λ. (4.)
Kärkinopeussuhde saadaan kaavasta 3 (4)
12
𝜆 =𝑢
𝑉 KAAVA 3
jossa
u= turbiinin roottorin kärjen kehänopeus [m/s]
V= turbiinille tulevan tuulen nopeus [m/s]
Kuva 3 on Betz kuvaaja eri turbiini tyypeille. Betz kuvaajasta voidaan selvittää
tuuliturbiinin tehokerroin.
KUVA 3 Betz kuvaaja (6)
Turbiinin tuottama vääntö saadaan yhtälöstä (5, s. 90).
𝑃 = 𝑇𝜔 KAAVA 4
jossa
T= vääntö [Nm]
ω= kulmanopeus [rad/s]
13
2.3 Enercon E-33/300
Esimerkkilaskun pohjaksi valittiin Enercon E-33/300, sillä se edustaa sopivasti
keskikokoista kaupallista tuuliturbiinia. Kuvassa 4 on esiteltynä Enercon E-
33/300 turbiineja toiminnassa.
KUVA 4 Enercon E-33/300 käytössä (7)
Taulukossa 1 on kirjattu tämän työn kannalta oleellisia arvoja. Taulukon arvoja
tullaan käyttämään, kun arvioidaan teoreettisen laitoksen toimintaa valituissa
tuulioloissa.
TAULUKKO 1 Enercon E-33/300 tekniset tiedot (7)
Roottori halkaisija D (m) 33
Pyyhkäisy pinta-ala (m2) 855,3
Maksimi kierrosnopeus (rpm) 39
14
Lapojen lukumäärä 3
Käynnistys nopeus (m/s) 3
Nimellis tuulen nopeus (m/s) 11,5
Tuulen maksimi nopeus (m/s) 25
Teho (kW) 300
Kuvassa 5 on taulukoituna Enerconin turbiinin teho ja tehokerroin eri
tuulennopeuksilla. Kuvassa käytetyt tiedot ovat todellisia mittaustuloksia.
KUVA 5 Enercon power curve (7)
15
3 VESITURBIINI
Systeemin sähköä tuottava osa on laitoksen loppuun asennettu vesiturbiini,
jonka lävitse vesi pudotetaan, kun halutaan tuottaa sähköä. Turbiinia olisi
tarkoitus käyttää lähinnä kalliin sähkön aikoina, ja sen olisi näin tarkoitus tuottaa
omistajalleen säästöjä. Näin tuotettuna tuulen energia voidaan käyttää silloin,
kun sitä tarvitaan.
3.1 Pudotuskorkeus ja virtaama
Pumpun mitoitukseen tehoon keskeisimmin vaikuttavat tekijät ovat
pudotuskorkeus ja veden virtaama turbiinin lävitse. Pudotuskorkeus h
ilmaistaan useimmiten metreinä, ja se merkitsee veden ylä-ja alapinnan välistä
eroa. Yläpinta voi olla esimerkiksi patoaltaan veden yläpinta ja alapinta padon
alaosassa, jossa vesi syöksyy turbiinin lävitse. Mitä suurempi on
pudotuskorkeus, sitä suurempi määrä potentiaalienergiaa vedellä on. Toinen
keskeinen tekijä, joka vaikuttaa turbiinin tehoon, on saatavilla oleva veden
virtaama. (4.)
Vesiturbiinit ovat oikein mitoitettuna varsin hyvän hyötysuhteen laitoksia.
Virtaaman ja pudotuskorkeuden ollessa ihanteellisia valitulle turbiinille voi
vesiturbiini saavuttaa, jopa 90 %:n hyötysuhteen. Kuvassa 6 on esitelty
hyötysuhdekäyriä virtaaman funktiona. (8.)
16
KUVA 6 Turbiinien hyötysuhdekäyriä (8)
Kuvasta 6 voidaan tarkkailla eri turbiinityyppien hyötysuhteen muutoksia
suhteessa turbiinin maksimivirtaamaan. Kuvaajasta huomataan, että jotkin
turbiinit saavuttavat korkean hyötysuhteen paljon pienemmällä virtaamalla,
mutta hyötysuhde alkaa myös laskea aikaisemmin lähestyttäessä
maksimivirtaamaa. Toiset turbiinit taas tarvitset suhteessa suuremman
virtaaman mutta säilyttävät korean hyötysuhteen suuremmalla käyttöalueella.
Kuvaajasta voidaan arvioida turbiinien hyötysuhteen olevan parhaimmillaan
jopa 90 %.
3.2 Turbiini tyypit
Vesiturbiinit, joita tässä työssä tarkastellaan, voidaan jakaa kolmeen ryhmään:
Kaplan-, Fancis- ja Pelton-turbiineihin. Työn kannalta Francis-turbiinien laaja
käyttöalue ja toimintavarmuus tekevät tästä turbiinityypistä loogisimman
vaihtoehdon, mutta kahteen muuhunkin tyyppiin tutustutaan ja niiden
mahdollisia sovelluksia tässä työssä pohditaan. (4.)
3.2.1 Kaplan-turbiinit
Kaplan-turbiinit ovat yleensä kolmesta tyypistä suurimpia. Tyypillisesti Kaplan-
turbiineja käytetään suurissa padoissa, joilla on verrattain pienet
pudotuskorkeudet, mutta suuret veden virtaamat. Kaplan turbiininen
17
pudotuskorkeudet vaihtelevat 5–25 m, kun taas virtaama saattaa nousta jopa
800 m3:iin/s. (4; 9.)
Tätä opinnäytettä ja suunnitellun laitoksen sijoitusta ja toimintaa ajatellen
Kaplan-turbiinit eivät vaikuta kovinkaan edulliselta vaihtoehdolta. Veden määrä,
jonka turbiini tarvitsee, on niin valtava, että ei ole realistista ajatella sijoittavansa
Kaplan-turbiinin laitokseen. (4; 9.)
3.2.2 Francis-turbiinit
Francis-turbiinit ovat reaktioturbiineja eli saapuessaan siipisoliin veden paine
alenee suhteellisen nopeuden kasvaessa. Vesi saapuu spiraalin kautta
johtosiiville. Francis-turbiinit ovat täysturbiineja, mikä tarkoittaa sitä, että
siipisolat ovat kokonaan veden alla. (4; 10.)
Francis-turbiinien pudotuskorkeudet voivat vaihdella varsin suuresti. Yleensä
ylä- ja alavesipinnan välillä on 25–400 m:n korkeusero. Muihin turbiineihin
verratteassa tarvittava korkeus ero on siis keskiluokkaa. Francis-turbiinien
virtaaman tarpeetkin ovat varsinkin Kaplan-turbiineihin verrattuna maltillisia
vaihdellen 10–700 m3:iin/s. (4; 10.)
3.2.3 Pelton-turbiinit
Pelton-turbiinit ovat varsinkin Kaplan-turbiineihin verrattuna varsin pieniä, mutta
ne tarvitsevat merkittävän suuren pudotuskorkeuden toimiakseen. Pelton-
turbiinien toiminta eroaa kahdesta aiemmasta turbiinista. Pelton-turbiinin
generaattoriin kiinnitetty akseli saa voimansa, kun suuttimen lävitse ammuttu
korkeanopeuksinen vesi osuu Pelton-pyörään, joka alkaa pyöriä siirtäen
energiaa. (4; 11.)
Pelton-turbiineilla on yleensä varsin suuret pudotuskorkeudet, mutta niiden
tarve voidaan perustella sillä, että peltoturbiinit tarvitsevat vedelle varsin suuren
nopeuden toimiakseen. Eli mikäli veden nopeutta suuttimelle saadaan nostettua
muilla keinoilla, ei suurta pudotuskorkeutta tarvita. Pelton-turbiinit ovat
varteenotettava vaihtoehto tässä opinnäytetyössä esiteltyyn laitokseen. (4; 11.)
18
4 PUMPUT
Jotta voidaan esittää edes suuntaa antava arvio suunnitellun laitoksen
hyötysuhteesta, on pystyttävä arvioimaan pumppauksessa aiheutuneita
häviöitä. Näissä luvuissa käydään lävitse työn kannalta oleellisia käsitteitä
pumppauksessa, sekä lyhyt kuvat teollisuudelle yleisestä pumpusta.
4.1 Valinta ja mitoitus
Pumppua valittaessa kaksi ominaisuutta nousee oleellisuudessaan ylitse
muiden. Tilavuusvirta ja nostokorkeus ovat pumpun valinnan ja mitoituksen
kannalta keskeisimmät seikat. Käytännössä nämä kaksi ominaisuutta
määräytyvät sen mukaan, kuinka paljon kohde tarvitsee vettä ja sen mukaan
millainen paine tarvitaan tämän saavuttamiseen. Tarvittavan paineen
suuruuteen vaikuttava vesitarpeen lisäksi esimerkiksi putkiston painehäviöt ja
korkeuserot systeemissä. (12; 13.)
Pumppauksen kapasiteettiin voidaan vaikuttaa myös asentamalla pumppuja
rinnan tai sarjaan. Kummallakin vaihtoehdolla saavutetaan käytännössä
virtaaman tai nostokorkeuden tuplaantuminen toisen suureen pysyessä
samana. Kytkemällä pumput sarjaan saadaan nostokorkeus tuplattua, kun
rinnan kytkemällä voidaan tuplata virtaama. (12; 13.)
Pumppuja valmistetaan useita erilaisia tyyppejä. Kaikilla pumpputyypeillä on
olemassa niille ominainen käyttöalue ja kohde. Kuvasta 7 nähdään miten
voimakkaasti eri pumppujen toiminta-alueet saattavat erota toisistaan.
Pumppua, joka toimisi kaikissa olosuhteissa ja kaikilla käyttöalueilla, ei
oikeastaan ole. Jotkin pumput sopivat esimerkiksi pienille virtaamille ja suurille
nostokorkeuksille, kun taas toiset sopivat suurille määrille pumputtavaa.
Pumppua valittaessa on myös miettivä, kuinka laaja käyttöalue on, sillä monien
pumppujen hyötysuhde alkaa kärsiä varsin nopeasti, kun lähestytään
pumppauskapasiteetin alarajaa. Ominaiskäyrältä voidaan virtaaman ja
nostokorkeuden avulla määrittää, millä hyötysuhteella pumppu toimii annetussa
tilanteessa. Optimaalisesti toimiva ja oikein mitoitettu pumppu operoi
parhaimmillaan jopa 85 %:n hyötysuhteella. (12; 13.)
19
KUVA 7 Eri pumpputyyppien toimintaalueita (13)
4.2 Keskipakopumput
Tässä luvussa annetaan lisätietoa keskipakopumpuista. Laitokseen tultaisiin
todennäköisesti asentamaan jonkinlainen keskipakopumppu. Keskipakopumput
kattavat jo nyt noin 80 % prosessiteollisuuden pumpusta, joten on loogista
olettaa, että tässäkin tapauksessa todennäköinen valinta olisi
keksipakopumppu. Kyseinen pumpputyyppi on suosittu sen laajan käyttöalueen
takia, ja koska se soveltuu pumppaamaan matalan viskositeetin aineita kuten
vettä. (12; 13.)
Keskipakopumpun siirtoteho perustuu keskipakovoiman hyödyntämiseen.
Pumpuissa on pesä, jonka sisällä on pyörivä juoksupyörä. Juoksupyörässä on
kaartuvia siipiä, jotka juoksupyörän pyöriessä siirtävät vettä eteenpäin. Pyörä
siirtää veden pesässä eteenpäin diffuusoriin ja siitä eteenpäin putkeen.
Keskipakopumppua käynnistettäessä on muistettava, että aloittamiseen
tarvittava imu ei synny, mikäli pesä ei ole valmiiksi täynnä vettä. (12; 13.)
20
21
5 LAAKERIT
Laakereita on useita eri tyyppejä erilaisiin tarkoituksiin, mutta
yksinkertaisimmillaan ne voidaan jakaa vierintä- ja liukulaakereihin. Tässä
opinnäytetyössä käsitellyt laakerit ovat kaikki vierintälaakereita, joten
liukulaakereihin ei perehdytä sen tarkemmin.
5.1 Vierintälaakeroinnit
Pyörimisliikkeen laakerointi suoritetaan pyörölaakeroinnin avulla.
Pyörölaakeroinneissa pyörivä akseli laakeroidaan napaan nähden.
Pyörölaakerit muodostuvat kahdesta sisäkkäin sijoitetusta kehästä, joiden väliin
on sijoitettu kuulat tai rullat eli laakerin vierintäelimet. Kehien tehtävänä ottaa
vastaa akselilta ja navalta tulevat voimat ja ne myös toimivat kulku-urina vierintä
elimille. Kehien ja vierintäelinten lisäksi laakerissa täytyy myös olla pidin, jonka
tehtävänä on pitää kehät oikeassa asennossa ja tasajaollisina. Laakereihin
lisätään myös voiteluainetta, kuten öljyä, kitkan vähentämiseksi. (14, s.117–
121.)
Pyörölaakerit voidaan jakaa kahteen erilaisia voimia hallitsevaan tyyppiin.
Säteislaakereilla hallitaan laakerin kehälle kohdistuvia voimia, kun taas
aksiaalilaakereilla hallitaan pyörimisakselin suuntaisia voiman komponentteja.
Laakerointi kannattaa toteuttaa niin, että saavutetaan isostaattisesti halvin
ratkaisu. Laakerointi on isostaattinen, jos se suoritetaan kahdella laakerilla,
joista toinen on ohjaava ja toinen vapaa. Ohjaavan laakerin tehtävänä on hallita
säteis-ja aksiaalivoimia, kun taas vapaaseen vaikuttavat vain säteisvoimat.
Kuvassa 8 on täsmennettynä säteis- ja aksiaalilaakerin eroja. Nuolet A ja B
osoittavat laakeriin vaikuttavan voiman suunnan. (14, s.117–121.)
22
KUVA 8 Pyörölaakeri periaatekuva: A säteislaakeri, B aksiaalilaakeri, 1 ja 2
laakerin ulko-ja sisäkehä, 3 vierintäelin (kuula vas, rulla oik) 4 pidin (14, s.117)
5.1.1 Urakuulalaakerit
Urakuulalaakerit ovat yksi yleisimmistä laakerityypeistä ja ehkä yleisin
säteislaakerityyppi. Urakuulalaakerien etuna voidaan pitää laajaa käyttöaluetta
sekä vähäistä huollontarvetta. Urakuulalaakerit soveltuvat suurille
pyörimisnopeuksille, ja ne ovat rakenteeltaan itsestään koossa pysyviä, eli niitä
ei voida purkaa. Yksinkertainen rakenne tekee niistä verrattain halpoja, ja ne
soveltuvat varsinkin pienille ja keskisuurille säteisvoimille. Ne myös kestävät
aksiaalivoimia verrattain hyvin, ja tätä kestokykyä voidaan parantaa edelleen
valitsemalla ohjaavalle laakerille normaalia suurempi sisäinen välys. Kuvassa 9
esitellään urakuulalaakerin rakenne. (14, s.128–129; 15, s.175–180.)
KUVA 9 Urakuulalaakeri (16)
23
5.1.2 Rullalaakerit
Rullalaakerit kestävät säteisvoimia todella hyvin. Kokoonsa ja kykyynsä kestää
säteisvoimia nähden rullalaakerit soveltuvat erinomaisesti keski- ja
suurikuormaisiin laakerointeihin. Urakuulalaakereihin verrattuna rullalaakereilla
on suhteellisen pienet maksimi pyörimisnopeudet. Rullalaakereita käytetään
yleensä vapaina laakereina ja ohjaaviksi laakereiksi valitaan siihen paremmin
soveltuva laakerointi. Yleisääntönä voidaan sanoa, että säteisvoimien ja
akselikoon kasvaessa rullalaakerien valinta muuttuu koko ajan
perustellummaksi. (14, s.132; 15, s. 329–332.)
Rullalaakerit kuitenkin kestävät aksiaalivoimia huonommin kuin esimerkiksi
kuulalaakerit. Aksiaalivoimien suhteen rullalaakerin voi ajatella hyvin ahtaaksi
liukulaakeriksi. Siksi rullalaakerit onkin sijoitettava ja kiinnitettävä niin, että
aksiaalivoimat eivät purista voiteluainetta pois rullien päistä. Rullalaakerien
heikkoutena voidaankin siis pitää rajallisia käyttömahdollisuuksia paikoissa,
joissa aksiaalivoimat ovat suuria. Kuvasta 10 voidaan nähdä miten rullalaakeri
eroaa kuulalaakerista. (14, s.132; 15, s. 329–332.)
KUVA 10 Rullalaakeri (17)
5.2 Käsitteitä
Alla on esitelty joitakin keskeisiä käsitteitä sekä termejä, jotka ovat oleellisia
laakereiden mitoitettaessa ja valittaessa.
24
5.2.1 Säteis-ja aksiaalikuormitus
Merkittävimmät laakereiden mitoitukseen vaikuttavat voimat ovat säteis- ja
aksiaalikuormat. Laakereihin saattaa vaikuttaa myös momenttikuorma, mutta
suuret momenttikuormat kielivät lähinnä suuntausvirheestä laakerin
asennuksessa. (15, s.16–19.)
Säteiskuormalla tarkoitetaan voimia, jotka kohdistuvat pyörölaakerin kehään.
Säteiskuormia esiintyy käytännössä kaikissa pyörölaakeroinneissa.
Aksiaalikuormalla tarkoitetaan voimia, jotka kulkevat laakeroidun akselin
suuntaisesti. Monissa tapauksissa laakeroinnissa on oltava ainakin yksi
aksiaalivoimia hyvin kestävä laakeri. (15, s.16–19.)
Useissa laakeroinneissa esiintyy myös edellä mainittujen säteis-ja
aksiaalivoimien summia. Näitä voimia kutsutaan yleisesti yhdistetyksi
kuormitukseksi. Laakereita, jotka ottavat vastaan yhdistettyjä voimia kutsutaan
yleisesti ohjaaviksi laakereiksi, sillä niillä on vapaita laakereita suurempi
merkitys laakeroidun akselin radallaan pitämisessä. Yhdistettyjen kuormien
laakerointiin käytetään monesti erilaisia kuula- tai kartiolaakereita.
Rullalaakereita voidaan käyttää, mikäli aksiaalivoimat ovat todella pieniä.
Neulalaakereita ei voida käyttää yhdistettyjen voimien hallitsemiseen
käytännössä ollenkaan niiden todella huonon aksiaalivoimien kestämisen
seurauksena. (15, s.16–19.)
5.2.2 Voitelu
Voitelulla on ratkaiseva merkitys laakerointien käyttöikään ja toimintaan.
Voitelulla pyritään saavuttamaan kattava nestevoitelu, joka takaa laakerin
optimaalisen toiminnan laajalla nopeusalueella. Useissa tapauksissa voitelu on
varsin helppo toteuttaa, kunhan voiteluun käytetyn rasvan tai öljyn viskositeetti
on sopiva, eivätkä vierintäelimet ole altistuneet esim. pölylle tai vedelle. (4, s.
119–120.)
Laakerien pyöriessä hitaasti tai niiden ollessa paikallaan on mahdollistaa, että
laakereissa tapahtuu voiteluaineen tahmaantumista eli metallisidosten
muodostumista. Tahmaantuminen on seurausta riittämättömästä
25
nestepaineesta, jota normaalisti pitää yllä jatkuva liike vierintäelimissä.
Nestepaineen puuttuminen tai merkittävä vähäisyys puolestaan johtaa
kosketuspaineiden syntymiseen, mistä tahmautuminen alkaa. Vähäinen
tahmautuminen kiihdyttää kulumista ja voimakas tahmautuminen tuhoa laakerin
pinnat varsin nopeasti. (14, s. 119–120.)
Voitelut voidaan jakaa karkeasti rasva- ja öljyvoiteluun. Voitelurasvaksi
määritellään aine, joka on kiinteää tai puolinestemäistä voiteluainetta, joka
koostuu perusöljystä (esim. mineraaliöljy) ja sakeutuaineesta, joka on
tavallisesti metallisaippuaa. Rasvan käyttö lämpötilat määräytyvät pitkälti sen
mukaan millaista öljyä ja sakeutusainetta rasvassa käytetään, mutta niihin
voidaan vaikuttaa myös lisäaineilla. Öljyvoitelussa käytetään nimensä
mukaisesti öljyä voiteluaineena. Öljyvoitelua käytetään silloin, kun
käyttölämpötilat tai pyörimisnopeudet kasvavat liian suuriksi, tai esimerkiksi
silloin, kun laakereiden lähelle sijoitetut hammasrattaat on voideltu öljyllä.
Öljyvoitelun etuna voidaan pitää mm. sitä, että sillä voidaan johtaa ylimääräistä
lämpöä pois laakeroinnista. (15, s.148–160.)
5.2.3 Laakerien kestoikä
Vierintälaakerien kestoiällä viitataan siihen kuinka monta kierrosta laakeri voi
pyöriä tai, jos laakeri pyörii vakionopeudella, kuinka monta tuntia laakeri toimii
enne vioittumistaan. Käytännössä vioittuminen tarkoittaa vierintäratojen tai
vierintä elinten väsymistä. (15, s.25–27.)
Laakerien kestoiän määrittämiseen voidaan käyttää myös muita määritelmiä
kuten käyttöikä. Käyttöikä eroaa kestoiästä siinä, että se kuvastaa todellista
aikaa, jonka laakeri voi olla käytössä. Käyttöikä ei lähtökohtaisesti määräydy
aineen väsymisen mukaan vaan esim. ruostumisen, tiivistevaurioiden jne.
mukaan. Kestoiän mittaamiseen voidaan käyttää myös kohdeikää. Kohdeikä on
asiantuntijan laskema ikä, jonka laakerit kestävät. Laskelmissa otetaan
huomioon laakerien hypoteettinen kuorma sekä laakerin pyörimisnopeus. (15,
s.25–27.)
26
5.2.4 Laakerien kantokyky
Kantokyvyn ilmaisuun käytetään niin sanottuja kantavuuslukuja.
Laakeritaulukoissa nämä luvut esitetään dynaamisena kantavuuslukuna C[N] ja
staattisena kantavuuslukuna C0 [N]. Näitä kantavuuslukuja käytetään eri
tarkoituksiin. Dynaamisen kantoluvun kuvaama voima viittaa vakio suuruiseen
ja suuntaiseen voimaan, jonka laakeri kestää 1 miljoonan kierroksen ajan
kuorman alaisena. Staattista kantavuuslukua puolestaan käytetään, kun
mitoitettavien laakereiden oletetaan pyörivän hyvin hitaasti, liikkuvan hitaasti
edestakaisin tai niiden oletetaan joutuvan hetkittäisten voimakkaiden sysäysten
alaisiksi. (15, s.25–27.)
5.2.5 Pyörimisnopeusrajat
Pyörimisnopeuden ohjearvot perustuvat tilanteeseen, jolloin kuormitus vastaa
150 000 tunnin kestoikää olosuhteissa, joissa laakerista poistuva lämpö on
tasapainossa kitkan synnyttävän lämmön kanssa. Taulukoissa ilmoitetut arvot
on annettu laakereille, joissa on pyörivä sisärengas. Laakereissa joissa
ulkorengas on yleensä hieman korkeammat raja-arvot. Mikäli
pyörimisnopeusraja ylittyy, voidaan laakeria vielä käyttää, jos laakerikitkaa
voidaan vähentää tai laakeria jäähdyttää. Mikäli näitä muutoksia ei voida tehdä,
johtaa pyörimisnopeusrajan ylitys laakerin voimakkaaseen kuumenemiseen.
(15, s. 64.)
On olemassa erityistapauksia, joissa esiintyy tärkeämpiä tekijöitä kuin suurin
sallittu pyörimisnopeus. Tällaisia tapauksia ovat alhaiset pyörimisnopeudet,
suuntaa vaihtava pyörimisliike ja paikallaanolo. Alhaisilla pyörimisnopeuksilla
ongelmaksi voi muodostua se, että kosketuspinnoille ei muodostu tavoiteltua
voiteluainekalvoa. Suuntaa vaihtavalla liikkeellä ilmenee vastaavanlaista
ongelmaa voiteluainekalvon muodostumisen kanssa. Liikkeen voimien ollessa
nolla sillä hetkellä, kun pyörimisliike vaihtaa suuntaa, ei vierintäratojen
kosketuspinnoille voida taata täydellistä voiteluainekalvoa ilman lisäaineiden
(EP) käyttöä. (15, s.66.)
27
28
6 TUTKITTAVA LAITOS
6.1 Laitoksen esittely
Opinnäytteen varsinainen tutkimuksen kohde on tilaajan suunnittelema
mekaaninen voimansiirto, jonka on tarkoitus välittää tuulen liike-energia turbiinin
lavoista suoraa esim. vesipumpun akselille. Systeemin tarkoituksena on pyrkiä
varastoimaan tuulesta saatava liike-energia potentiaalienergiaksi korkealle
nostetun veden muodossa. Suunnitelmia tehtäessä on myös harkittu tarkkaan
huoltotoimenpiteitä. Ylös sijoitettavat mekanismit on suunniteltu niin, että ne
tarvitsevat minimaalisen määrän huoltoa tai tarkkailua. Kaikki voideltavat osat ja
mahdolliset kulumiselle alttiit komponentit on pyritty sijoittamaan lähelle
maanpintaa.
Koko suunniteltu systeemi voidaan tiivistää seuraavasti. Tuulen pyörittäessä
tuuliturbiinin lapoja ja akselia energia siirtyy suunnitellun vipusysteemin kautta
pumpun akselille. Pumpulle tuodulla voimalla nostetaan vettä korkealle
sijoitettuun vesisäiliöön. Kun sähkön hinta on riittävän korkea, vapautetaan vesi
säiliöstä ja päästetään se kulkemaan laitoksen loppuun sijoitettuun vesiturbiinin
läpi, joka lopulta muuntaa tuulen liike-energian sähköksi. Kuvassa 11 esitellään
kaavio, joka kuvaa kuinka tuulesta lopulta saadaan sähköä tutkittavassa
tilanteessa.
KUVA 11 Periaatekuva valmiista laitoksesta
29
Tuulen liike-energia siirtyy mekaaniselle voimansiirrolle tuuliturbiinin akseliin
kiinnitettyjen kiekkojen avulla. Kiekot kiinnitetään akseliin epäkeskeisesti eri
vaiheeseen, kuten kuvassa 12 esitetään.
KUVA 12 Tuuliturbiinin akseliin kiinnitetyt epäkeskokiekot
Epäkeskokiekot yhtyvät muuhun systeemiin seuraajatankojen avulla.
Seuraajatankoihin on sijoitettu laakerit, jotka mahdollistavat tangon ja kiekon
kosketuksen. Kuvassa 12 on esitetty periaatekuva seuraajatangon ja kiekon
kontaktikohdasta. Seuraajatangot yhdistetään vaijerilla tuuliturbiinin juurella
sijaitseviin keinuvipuihin. Keinuvivut kiinnittyvät seuraajatanko pariin, jotta
turbiinin akselin pyöriessä saadaan aikaan edestakainen liike. Keinuvipu
puolestaan on kiinnitetty kampiakseliin, joka on vaihdelaatikon kautta kytketty
vettä pumppaavaan pumppuun.
30
KUVA 13 Epäkeskokiekko ja ohjausvarsi
Mekaanisen voimansiirron avulla tuulen liike-energia voidaan muuttaa pumpun
avulla potentiaali energiaksi myöhempää käyttöä varten. Kun vesi on pumpattu
säilöön, voidaan se vapauttaa vesiturbiinille korkean sähkönhinnan tai
kulutuspiikin aikoina.
6.2 Laitoksen sijoittamisesta
Laitoksen mahdollisille sijoituspaikoille on olemassa muutamia rajoittavia
tekijöitä. Suomen maantieteellisen sijainnin ja maaston korkeuserojen takia
mahdollisia paikkoja, joissa voitaisiin saavuttaa edulliset olosuhteet ilman suuria
rahallisia sijoituksia, on vähän.
Laitoksen sijoituksen kannalta oleellisin tekijä on, että tuulta on tarjolla ympäri
vuoden riittävästi. Käytännössä tämä rajoittaa laitoksen sijoituspaikat joko
rannikolle tai selvästi muuta maastoa korkeampiin kohtiin, kuten vaarojen
huipuille.
Toinen merkittävä tekijä laitoksen sijaintia mietittäessä, ovat maaston luontaiset
korkeuserot. Laitoksen vesiturbiini tarvitsee ainakin laitoksen sisäisesti
merkittävän korkeuseron, että turbiinilla saadaan tuotettua riittävä määrä
sähköä. Kun otetaan huomioon tuulen tarve, on Suomessa loppujen lopuksi
31
vain muutamia paikkoja, joissa korkeusero voitaisiin luoda pääasiassa maaston
avulla.
Ihanteellisin sijainti laitokselle olisi siis maastoa selvästi korkeampi kohta, jonka
huipulle tuuliturbiini ja vesisäiliö laitoksesta pystytetään. Vesiturbiini voitaisiin
siten sijoittaa matalammalle maastoon ja turbiini saisi tarvitsemansa
pudotuskorkeuden.
32
7 TIEDOT JA LASKELMAT
Tarkastelemalla annettuja tietoja voidaan päätellä, että oleellisimmat häviöt
laitoksen laakeroinneissa tapahtuvat ohjaajatankojen ja keinuvivuston
yhteydessä. Tietenkin laitoksessa on useita eri laakereita näiden lisäksi, mutta
niistä muodostuvat häviöt muodostunevat niin pieniksi ja vaikeiksi arvioida, että
näissä laskelmissa keskitytään vain edellä mainittuihin laakereihin.
Tuulesta tehoksi
Lasketaan tuulesta saatava teho molemmille esimerkkiturbiineille
nimellistuulennopeudella ja lapojen kierrosnopeudella.
Taulukosta 1 ja kuvasta 4 valitaan käytettävät olosuhteet laskelmiin
Tuulen nopeus v = 12 m/s
Nimelliskierrosnopeus turbiinille n = 33 rpm
Pyyhkäisypinta-ala A= 855,3 m2
Roottorin halkaisija D= 33 m
Tammertekniikan kaavastosta ilmantiheys ρ= 1,293 kg/m3 (19)
Kaavalla 1 saadan selville tuulesta saatavilla oleva teho (4).
𝑃𝑠𝑎𝑎𝑡𝑎𝑣𝑖𝑙𝑙𝑎 =1
2𝜌𝐴𝑉3 =
1
2× 1,293
kg
m3× 855,3 m2 × (12
m
s)
3
= 955,5 kW
Tämä on kuitenkin kaukana todellista tehosta, jonka turbiini tuottaa. Turbiinin
todellinen teho saadaan laskettua kaavojen 2 ja 3 avulla (4). Ensin selvitetään
turbiinin tehokerroin kaavan 3 avulla.
Lasketaan kärkinopeussuhde λ
33
𝜆 =𝑢
𝑉=
(2 ∗ 𝜋 ∗ (0,5 ∗ 𝐷)) ∗ (𝑛𝑡 ))
𝑉=
(2 ∗ 𝜋 ∗ (0,5 ∗ 33𝑚)) ∗ (26
60 𝑠))
12 𝑚/𝑠= 4,3
λ:n avulla voidaan selvittää tehokerroin Cp. Kuvasta 3 voidaan arvioida Cp
olevan hieman yli 0,3 ja tulos voidaan todentaa tarkastelemalla kuvaa 5.
Kuvassa 5 on esitelty mitattuja arvoja ja kuvasta nähdään, että mitatuilla arvoilla
Cp saatu noin 0,331. Laskuissa käytetään itsearvioitua arvoa 0,31.
Kun Cp tiedetään, saadaan kaavan 2 avulla selville todellinen teho, jonka
roottori tuulelta saa.
𝑃𝑚𝑎𝑥 =1
2𝐶𝑝𝜌𝐴𝑉3 Kaava 3
𝑃𝑚𝑎𝑥 =1
2𝐶𝑝𝜌𝐴𝑉3 = 0,31 ×
1
2× 1,293
kg
m3× 855,3 m2 × (12
m
s)
3
= 296,2 kW
Siispä Enerconin turbiinilta saadaan 296,2 kW:n teho tuulen nopeuden ollessa
12 m/s.
Selvitetään vielä roottori tuottama vääntö akselille. Vääntö akselille saadaan
laskettua muokkaamalla kaavan 4 avulla (5).
𝑃 = 𝑇𝜔 KAAVA 4
jossa
T= vääntö [Nm]
Vääntö saadaan selville muokkaamalla kaava 4 muotoon
𝑇𝑎𝑘𝑠𝑒𝑙𝑖 =𝑃𝑚𝑎𝑥
𝜔=
292,2𝑘𝑊
2×𝜋∗(33
60) 1/𝑠
= 85,7 𝑘𝑁𝑚
34
Arvioidaan voima, jolla roottorin akseliin kiinnitetyt epäkeskokiekot vaikuttava
seuraajatankoihin. Arvioidaan epäkeskokiekon halkaisijaksi 1,5 m. Kun
tunnetaan kiekon halkaisija, voidaan laskea voima F, jonka roottorin akseli
välittää seuraajatankoon. Voima lasketaan kaavan 5 avulla. Halkaisijalle D
annetaan kerroin 0,5, koska voiman varren arvo vaihtelee kiekon pyöriessä.
𝐹 =𝑇𝑎𝑘𝑠𝑒𝑙𝑖
𝐷𝑒𝑝ä𝑘𝑒𝑠𝑘𝑜 KAAVA 5
jossa
Takseli= turbiinin akselin vääntö
Depäkesko= epäkeskokiekon halkaisija
𝐹 =𝑇𝑎𝑘𝑠𝑒𝑙𝑖
0,5𝐷𝑒𝑝ä𝑘𝑒𝑠𝑘𝑜=
85,7 𝑘𝑁𝑚
0,5 × 1,5𝑚= 114,3 𝑘𝑁
Tällä tavalla laskettu voima on kuitenkin vain teoreettinen arvio.
Todellisuudessa voimat ovat todennäköisesti pienempiä.
Laakerien kitkahäviöt
Kun tunnetaan voima ja kierrosnopeuden suuruusluokka, jolla epäkeskokiekko
vaikuttaa seuraajatankoon, muodostuva kitkahäviö voidaan laskea.
Kierrosnopeus voidaan arvioida, kun tunnetaan epäkeskokiekon ja laakerien
halkaisija tai säde. Edellä lasketun voiman avulla selvitetään sopiva laakeri
koko tehtävään SKF:n laakerikirjasta.
Lasketaan laakereiden kierrosnopeus laakerin ja epäkeskokiekon ulkokehän
suhteen avulla. Epäkeskokiekon oletetaan sijoittuneen roottorin akselille niin,
että akselin ja kiekon kehät koskettavat 1 pisteestä. Ensin täytyy selvittää
laakerin ja epäkeskokiekon kehä.
35
𝑛𝑙𝑎𝑎𝑘𝑒𝑟𝑖 =𝜋 × 𝐷𝑙𝑎𝑎𝑘𝑒𝑟𝑖
𝜋 × 𝐷𝑒𝑝ä𝑘𝑒𝑠𝑘𝑜× 𝑛𝑎𝑘𝑠𝑒𝑙𝑖 =
𝜋 × 0,28𝑚
𝜋 × 1,5𝑚× 33𝑟𝑝𝑚 = 88 𝑟𝑝𝑚
Seuraavaksi lasketaan tehohäviö kaavalla 6 (14;15)
𝑇𝜇 =𝜇∗×𝐹×𝑑𝑙𝑎𝑎𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛 𝑎𝑘𝑠𝑒𝑙𝑖
2 KAAVA 6
jossa
F= aksiaali-ja säteisvoimien resultantti
Tμ= vastusmomentti Nmm
μ*= näennäinen kitkakerroin
d= laakerin akselihalkaisija mm (15, s.127–128)
Kaavan 6 yhteydessä esiteltiin ehtoja, jotka täytyy täyttyä, että kaavaan 6
tulosta voidaan pitää riittävän tarkkana. Laakerin kierrosnopeus ei saa nousta
yli 0,5 nmax jonka valittu laakeri kestää. Kaikki laakerit, jotka SKF laakerikirjassa
esiintyvät, kestävät useiden tuhansien kierrosten suuruisia nopeuksia, joten
tämä ehto täyttyy (15). Seuraava ehto on, että P= 0,1 C, mikä tarkoittaa, että
laakeriin vaikuttava voima ei saa olla yli 10 %:a laakerin dynaamisesta
kantavuusluvusta. Aiemmin lasketun voiman perusteella on valittu SKF:n
lieriörulla laakeri NJG 2326 VH, jonka dynaaminen kantavuusluku C on 1,08
MN. Vaikka voima ylittääkin annetun 10 %, voidaan tällä laakerilla laskettuja
arvoja pitää riittävän luotettavana tilanteen huomioon ottaen. Tehohäviön
selvittämiseksi on ensin laskettava laakerin kitkamomentti Tμ. Tμ saadaan
selville kaavalla 6.
𝑇𝜇 =𝜇∗ × 𝐹 × 𝑑𝑙𝑎𝑎𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛 𝑎𝑘𝑠𝑒𝑙𝑖
2=
0,0011 × 114,3 𝑘𝑁 × 130𝑚𝑚
2= 8171𝑁𝑚𝑚
Kun tunnetaan Tμ, voidaan kaavalla 7 laskea tehohäviö Nr (15)
𝑁𝑅 = 1,05 × 10−4 × 𝑇𝜇 × 𝑛 KAAVA 7
36
jossa
Tμ= vastusmomentti [Nmm]
n= kierrosnopeus [rpm]
Kaava 7 pätee sekä urakuula-, että rullalaakereille.
Lasketaan tehohäviö.
𝑁𝑅 = 1,05 × 10−4 × 𝑇𝜇 × 𝑛 = 1,05 × 10−4 × 8171 𝑁𝑚𝑚 × 88 𝑟𝑝𝑚 = 76 𝑊
Seuraavaksi lasketaan voima, jolla seuraajatanko liikuttaa vaijeria, joka on
kiinnitetty keinuvipuun. Voima F jolla seuraajatanko liikuttaa vaijeria ylös alas on
sama kuin voima, jolla epäkeskokiekko vaikuttaa tankoon. Näin ollen
vaijerinkiinnitysraudassa sijaitsevan laakerin teho häviöiden arvioimiseksi
tarvitsee tietää vielä laakerin pyörimisnopeus. Edestakaisen liikkeen takia
laakeri ei pyöri kokonaisia kierroksia, joten täytyy määrittää suhdeluku jolla
havainnollistaa kierrosten määrä. Oletetaan, että epäkeskokiekon tehdessä 1
kierroksen pyörii kiinnikkeen laakeri ¼ kierroksen.
Näin ollen laakerissa tapahtuva kitkamomentti voidaan laskea kuten edellä
kaavan 6 avulla.
𝑇𝜇 =𝜇∗ × 𝐹 × 𝑑𝑙𝑎𝑎𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛 𝑎𝑘𝑠𝑒𝑙𝑖
2=
0,0011 × 114,3 𝑘𝑁 × 13𝑚𝑚
2= 8171𝑁𝑚𝑚
ja edelleen tehohäviö kaavan 7 avulla
𝑁𝑅 = 1,05 × 10−4 × 𝑇𝜇 × 𝑛 = 1,05 × 10−4 × 8171 𝑁𝑚𝑚 × 8,25 𝑟𝑝𝑚 = 7,08 𝑊
Laskelmien avulla huomataan, että tehohäviöt laakereissa jäävät todella
pieniksi. Ottaen huomioon lähtötiedoissa ja mallinnuksessa olevat aukot ja
epätarkkuudet voidaan olettaa, että laskuissa esiintyvä virhe on niin suuri, että
tarkkaa hyötysuhdetta on tarpeetonta laskea. Voidaan kuitenkin arvioida, että
kitkan aiheuttamat tehohäviöt ovat muutaman prosentin luokkaa.
37
8 TULOSTEN TULKINTA
Työn tavoitteena oli tutkia rakennevaihtoehtoa perinteiselle tuuliturbiinille.
Mekaanisen talteenottomenetelmän tutkiminen painottui pitkälti uuden tiedon
hankkimiseen ja systeemin häviöiden selvittämiseen. Pumppauksen,
virtauskanavan ja vesiturbiinin häviöitä ei tässä työssä tarkastelulta.
Laakeroinnin ja uuden systeemin tutkiminen synnytti paljon lisäkysymyksiä ja
ideoita.
8.1 Tuloksien tarkkuudesta
Saatuja laskutuloksia voidaan pitää lähinnä suuntaa-antavina. Laskelmia ja
ideointeja suoritettaessa tuli selväksi, että laitoksessa on todella paljon
tuntemattomia, kuten komponenttien todelliset mitat jne, jotka vaikuttavat
häviöiden suuruuteen. Laakerit on suunniteltu muodostamaan mahdollisimman
vähän kitkahäviöitä, joten jäävät häviöt pieniksi tällaisessa laitoksessa.
Esimerkiksi turbiiniakselin tukilaakerointi aiheuttanee suuremmat häviöt.
Häviöiden suuruuteen vaikuttaa myös pyörimisnopeus. Kuvatussa rakenteessa
pyörimisnopeus on pieni, kun esim. laskuissa käytetyn rullalaakerin maksimi
kierrosnopeus on 500 rpm. Tuloksien tarkkuuteen vaikuttaa myös se, että osa
laakereista ei pyöri missään vaiheessa kokonaista kierrosta. Laakerien
osittainen pyöriminen vaikuttaa merkittävästi kulumiseen. Tämä seurauksena
osittain pyörivien laakerien häviöt kasvavat vanhetessaan nopeammin kuin
normaalisti pyörivien.
Tulosten epätarkkuutta aiheuttaa myös se, että osien massoja ei otettu
huomioon. Laakerit itsessään painavat merkittävän paljon, mutta myös
epäkeskokiekkojen massa ja materiaali tulisi ottaa huomioon.
Epäkeskokiekkojen materiaali vaikuttaa myös kulumiskestävyyteen. Jos
seuraajamekanismin pinnanlaatu heikkenee, syntyvä karheus lyhentää osien
kestoikää.
38
8.2 Parannettavaa ja lisätutkimuksen aiheita
Epäkeskokiekoille ja seuraajatangoille voisi suunnitella vaihtoehtoisen
ratkaisun. Tavoitteena kuitenkin on, että laitoksen ylä- eli turbiininpää olisi
käytännössä mahdollisimman huoltovapaa. Epäkeskokiekkojen ja
seuraajatangon vaihtoehdoksi kannattaisi tutkia kampiakselia muistuttava
ratkaisu. Nykyisellä suunnitelmalla turbiini välittää voimansa suoraa pumpulle,
jonka tarkoituksena on siirtää vettä vesisäiliöön odottamaan hetkeä, jolloin se
vapautetaan vesiturbiinille.
39
9 YHTEENVETO
Työn tavoitteena oli tutkia vaihtoehtoista ottaa talteen tuulenenergia. Selvitettiin
millaisia häviöitä syntyy, kun tuuliturbiinin sähkögeneraattori korvataan
mekaanisella välityksellä, joka siirtää voiman turbiinin akselilta eteenpäin.
Laskelmien pohjalta tehty arvio, että tehohäviöt laakereissa ovat parin prosentin
luokkaa kuulostaa järkevältä. Mekaanista voimansiirtoratkaisua kannattaa
kehittää vaihtoehtona perinteiselle sähkögeneraattori ratkaisulle.
Pelkkä laakerien häviöiden tarkastelu ei kuitenkaan anna koko kuvaa laitoksen
toimivuudesta. Mekaanisen voimansiirron häviöt ovat suhteellisen pieniä,
laitoksen jälkimmäisissä osissa muodostuu merkittäviä häviöitä. Laitoksen
kokonaishyötysuhde riippuu lopulta siis suuresti pumpun ja vesiturbiinin
valinnasta sekä virtauskanavan rakenteesta. Kokonaishyötysuhde jäänee 80
%:n alapuolelle.
Merkittävänä haasteena on löytää laitokselle sijoituspaikka. Jotta saataisiin
riittävästi energiaa, tarvitaan riittävän suuri vesiallas ja pudotuskorkeus.
Suomen luonnollisilla korkeuseroilla sijoitusvaihtoehdot ovat varsin rajallisia.
Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että laitokseen pitäisi keinotekoisesti
muodostettua riittävä pudotuskorkeus. Tämä kuitenkin lisää kustannuksia
merkittävästi.
Tutkittu laitosratkaisu ei sovi suurimmille tuuliturbiineille, koska
välitysmekanismin osista tulisi liian raskaita. Kaikista pienimmillekin turbiineille
konseptia on haastavaa soveltaa, sillä vesiturbiinien sijoittaminen on varsin
kallista.
Tutkitussa rakenteessa on paljon hyvää mutta myös paljon kehitettävää.
Mekaanisesta osiosta olisi hyvä rakentaa prototyyppi, jotta saataisiin todellisia
mittaustuloksia. Virtauskanavan, pumpun ja vesiturbiinin valintaa ja rakennetta
olisi syytä selvittää.
40
41
LÄHTEET
1. Suomen tuulivoimapuistot. 2017. Ethawind. Saatavissa:
https://www.seadv.eu/ethawind-old/map/. Hakupäivä 23.3.2017.
2. Suomen tuulivoimatilastot. 2017. VTT. Saatavissa:
http://www.vtt.fi/palvelut/v%C3%A4h%C3%A4hiilinen-
energia/tuulivoima/suomen-tuulivoimatilastot . Hakupäivä 13.1.2017.
3. Tuulivoima 2017. Energiateollisuus. Saatavaissa:
http://energia.fi/perustietoa_energia-
alasta/energiantuotanto/sahkontuotanto/tuulivoima. Hakupäivä: 13.1.2017.
4. Ylikunnari, Jukka 2015. T350503 Koneoppi 2 3 op. Opintojakson luennot
keväällä 2015 Oulu: Oulun ammattikorkeakoulu.
5. Vaugh, Nelson 2014. Wind energy: Renewable energy and the environment.
Boca Raton: CRC press, Taylor & Francis group
6. Wind turbine technology. 2014. Energypedia. Saatavissa:
https://energypedia.info/wiki/Wind_Turbine_Technology. Hakupäivä
22.2.2017.
7. Enercon E-33 / 300. 2016. Wind-turbine-models.com. Saatavissa:
https://en.wind-turbine-models.com/turbines/368-enercon-e-33-300#pic-
tures. Hakupäivä 22.06.2016.
8. Perttula, Raimo 2000. Energiatekniikka. Porvoo: WSOY.
9. Hydraulic turbines: Kaplanturbines. 2016. Learnengineering.org. Saatavissa:
http://www.brighthubengineering.com/fluid-mechanics-hydraulics/27426-
hydraulic-turbines-kaplan-turbine/ Hakupäivä 1.4.2017.
10. Hydraulic turbines: Francisturbines. 2016. Learnengineering.org.
Saatavissa: http://www.learnengineering.org/2014/01/how-does-francis-
turbine-work.html Hakupäivä 1.4.2017.
42
11. Hydraulic turbines: Peltonturbines. 2016. Learnengineering.org.
Saatavissa:http://www.learnengineering.org/2013/08/pelton-turbine-wheel-
hydraulic-turbine.html Hakupäivä 1.4.2017.
12. Mäkelä, Veli-Matti 2016. T350403 Koneoppi 1 3 op. Opintojaksojen luennot
syksyllä 2016. Oulu: Oulun ammattikorkeakoulu, tekniikan yksikkö.
13. Energiatehokkaat pumput 2011. Motiva. Saatavissa:
https://www.motiva.fi/files/5343/Energiatehokkaat_pumput.pdf- Hakupäivä
10.1.2018.
14. Pyy, Seppo- Blom, Seppo- Rautiainen, Hannu- Lahtinen, Pekka- Sampo,
Arto- Nuutio, Erkki- Seppänen, Pekka- Pekkola, Kari- Suosara, Eero 1995.
Kone elimet ja mekanismit. Helsinki: Oy Edita Ab.
15. SKF laakerikirja 1991. Torino: Stamperia Artistica Nazionale.
16. Single row deep groove ball bearings. 2017. SKF. Saatavissa:
http://www.skf.com/pk/products/bearings-units-housings/ball-bearings/deep-
groove-ball-bearings/single-row-deep-groove-ball-bearings/index.html.
Hakupäivä 1.4.2017.
17. Cylindrical roller bearings. 2017. SKF. Saatavissa:
http://www.skf.com/pk/products/bearings-units-housings/roller-
bearings/cylindrical-roller-bearings/index.html. Hakupäivä 1.4.2017.
18. Products. 2017. SKF. Saatavissa:
http://www.skf.com/group/products/index.html.Hakupäivä 12.1.2017.
19. Tekniikan kaavasto. 2000. Tampere: Tammertekniikka Oy.